Overslaan en naar de inhoud gaan
Home > Projects > Concurrent design of control, embedded hardware and software for mechatronic and cyber-physical systems (CSE-codesign)

Concurrent design of control, embedded hardware and software for mechatronic and cyber-physical systems (CSE-codesign)

Uitdaging

Hieronder vindt u een schematische weergave van een geïntegreerde controller. Deze bestaat uit applicatiesoftware (bijv. controlealgoritmen, software voor een gebruikersinterface en registratiesoftware) die wordt ingezet op een geïntegreerd platform. Dit platform omhelst zowel de software (bijvoorbeeld middleware, een real-time besturingssysteem) als de hardware (verwerkingsknooppunten en communicatiebussen die ze met elkaar verbinden) voor het geïntegreerde platform.

De industriële doelgroep ziet zich geconfronteerd met de vraag naar een nieuwe generatie van slimme, onderling verbonden en krachtige producten, vaak aangeduid als cyber-fysische systemen. Bovendien moeten deze ondernemingen, om aan de eisen van hun klanten te voldoen, overschakelen naar modulaire ontwerpen en moeten ze productlijnen ontwikkelen die in staat zijn om maatoplossingen te leveren. Deze vereisten hebben een grote impact op het ontwerp van dergelijke geïntegreerde controllers en bemoeilijken het ontwerpproces.

Om dergelijke krachtige cyber-fysische systemen te kunnen realiseren, zijn geavanceerde controlealgoritmen (bijv. voor een optimaal energiebeheer, vermogenscompensaties, de planning van een optimaal tijdspad, het verminderen van trillingen, enz.) nodig. Deze controlealgoritmen hebben aanzienlijke hoeveelheden geheugen, berekeningscapaciteit en sensorgegevens aan hoge snelheden nodig. De geïntegreerde hard- en softwareplatformen die momenteel door machinebouwers worden gebruikt, (i) hebben doorgaans onvoldoende geheugen of berekeningscapaciteit aan boord, en/of (ii) worden doorgaans nog altijd verbonden door veldbussen die geen feedbackcontrole ondersteunen wanneer er een aanzienlijke hoeveelheid gegevens aan hoge snelheden overgemaakt moet worden. Bovendien resulteert de momenteel toegepaste ad-hoc selectie van geïntegreerde platformen voor het ondersteunen van een volledige mechatronische productlijn niet in optimale oplossingen op het vlak van kostenefficiëntie.

Wanneer we de dingen vanuit een meer technisch oogpunt bekijken, kunnen we een fundamenteel probleem bij het ontwerpen van geïntegreerde controllers voor mechatronische en cyber-fysische producten verklaren aan de hand van Joel Spolsky’s wet van onbetrouwbare abstracties, die stelt dat "alle niet-triviale abstracties tot op bepaalde hoogte onbetrouwbaar zijn". Zo kan voor de ontwikkeling van besturingssoftware voor fysische systemen, waarin de latentietijd en golfstoringen tussen het lezen van een sensoringang en de sturing van een actuator een sterke impact hebben op de haalbare productprestaties, geen abstractie worden gemaakt van de platformvertraging die wordt veroorzaakt door het gebruik van software op geïntegreerde platformen met hun respectieve beperkingen. Vandaag wijst een systeemarchitect aan de verschillende geïntegreerde software- en hardwarecomponenten binnen de ‘sensor-tot-actuator’-keten meestal, op basis van een vroege inschatting, maximale uitvoeringstijden uitgaand van het meest ongunstige scenario (WCET’s) toe. De ontwerpers die deze componenten implementeren, moeten dan een ontwerp creëren dat deze maximale WCET’s respecteert. Helaas gebeurt de evaluatie of de WCET-vereisten al dan niet vervuld zijn, pas in de integratiefase van het ontwikkelingsproces, wat tot dure herhalingscycli leidt.

Bovendien resulteert het combineren van de WCET’s van elke component vaak tot al te pessimistische (en dus te dure) ontwerpen terwijl de meeste cyber-fysische systemen voldoende bestand tegen zijn het missen van een enkele deadline.

Tot slot kan het aantal – doorgaans onderling afhankelijke – ontwerpvariabelen dat een impact heeft op de uiteindelijke prestaties van een cyber-fysisch systeem binnen een gesloten regelkring enorm zijn, bijv. het aantal en het type sensoren en de parameters of varianten van controlealgoritmen, maar ook de CPU-snelheid (CPU = centrale verwerkingseenheid), de planningparameters van het RTOS (real-time besturingssysteem), de keuze en configuratie van de veldbussen, enz. Dit hoge aantal onderling afhankelijke ontwerpvariabelen is voor mensen niet langer beheersbaar. Bovendien zal bij het selecteren van een set van geïntegreerde platformen dat een volledige productlijn van mechatronische sturingsapplicatievarianten optimaal kan ondersteunen, het aantal variabelen verder blijven stijgen.

Om de sturingstechniek en de techniek voor het geïntegreerde platform op een vlotte manier parallel te ontwerpen, hebben we dan ook nood aan een ontwerpaanpak en aan berekeningstools die het parallel ontwerpen van de applicatiesoftware en de geïntegreerde hard- en softwareplatformen mogelijk maken, waarbij het domino-effect van het wijzigen van één ontwerpparameter op de prestaties van mechatronische en cyber-fysische systemen binnen een gesloten regelkring gemakkelijk kan worden ingeschat. Dit zal op zijn beurt de realisatie van een nieuwe generatie slimme, onderling verbonden en modulaire producten mogelijk maken.

Projectdoelstellingen

De hoofddoelstelling van dit project is het ontwikkelen van een ontwerpaanpak en van de vereiste berekeningstools om het parallel ontwerpen van applicatiesoftware en van geïntegreerde software- en hardwareplatformen mogelijk te maken, waarbij de beoogde prestaties van cyber-fysische systemen binnen een gesloten regelkring verzekerd worden. Dit zal de efficiëntie van het ontwerpproces verhogen en tegelijk de kosten voor de hiermee verbonden geïntegreerde software- en hardwareplatformen verlagen.

Meer specifiek zijn de innovatiedoelstellingen van dit project als volgt:

  1. De ontwikkeling van een methodologie en van de benodigde softwaretools ter ondersteuning van het parallelle ontwerp van de applicatiesoftware en van de geïntegreerde platformen voor mechatronische en cyber-fysische producten. Deze methoden en tools moeten:
    1. zowel de ingenieurs van de sturingssoftware als de ingenieurs van het geïntegreerde platform in staat stellen om op een vlotte manier, d.w.z. zonder lange herhalingslussen, een vergelijkende analyse te maken tussen de verschillende ontwerpkeuzes op het vlak van applicatie en platform zodat de gemiddelde ontwikkelingstijd voor een geïntegreerde sturingsapplicatie met minstens 25% wordt verminderd;
    2. de kostenefficiëntie van geïntegreerde platformen met minstens 10% verminderen, dit door rekening te houden met de stochastische vertragingen in plaats van uit te gaan van de slechtst mogelijke responstijden en busvertragingen, zonder dat de stabiliteit, de prestaties en de robuustheid van het gedrag binnen een gesloten regelkring ook maar enigszins worden aangetast.

  2. De haalbaarheid onderzoeken van een uitbreiding van de hoger beschreven aanpak met technieken voor het verkennen van de ontwerpruimte die automatisch het optimale ontwerpalternatief op het vlak van applicatie- en platformselectie uit de veelheid aan mogelijke oplossingsalternatieven selecteren..
  3. De ontwikkeling van een aanpak en van softwaretools die vergelijkende analyses en het verkennen van de ontwerpruimte ondersteunen om op die manier een zo kostenefficiënt mogelijk geïntegreerd platformontwerp voor de diverse mechatronische/cyberfysische controllers te verzekeren.

Economische waarde

Dit project zal de momenteel door Flanders Make gebruikte methodes en tools voor het ontwerpen van slimme en onderling verbonden producten uitbreiden door het parallelle ontwerp van de applicatiesoftware en het geïntegreerde platform en het gebruik van een computerdesignsynthese voor het bepalen van de optimale architectuur van geïntegreerde hard- en softwareplatformen te faciliteren. Hierdoor zullen ondernemingen de ontwerptijd voor geïntegreerde hard- en softwareplatformen kunnen reduceren en systemen kunnen implementeren die voor hun specifieke productlijnen kostenefficiënt zijn.

De projectresultaten hebben een hoog valorisatiepotentieel omdat ze toegepast zouden kunnen worden op alle use cases met mechatronische en cyber-fysische systemen, zoals het architectonisch ontwerp van geïntegreerde hard- en softwareplatformen voor weefgetouwen, compressoren, enz.

Contact

Paola Campestrini - paola.campestrini@flandersmake.be 

Projectpartners 

Looptijd: 
1/01/2018 tot 31/12/2020